[Swift5.1] 26-函数式编程

Array的常见操作

  • arr.map() : 遍历数组每一个元素, 每遍历一个元素调用一次闭包,将元素传入闭包,闭包获取元素进行各种处理, 最后返回一个值.
  • arr.filter() : 遍历数组每一个元素, 每遍历一个元素调用一次闭包,将元素传入闭包, 闭包获取元素进行各种处理, 最后返回Bool值, 如果返回true会将元素添加到新数组中.
  • arr.reduce() : 遍历数组每一个元素,每遍历一个元素调用一次闭包,
    将元素传入闭包, 闭包中 result上次遍历返回值 , result初始值为reduce传入值, element 每次遍历取出元素

1) map 映射函数

var arr = [1, 2, 3, 4]
var arr2 = arr.map { (i) -> Int in
    return i * 2
}
print(arr2) // [2, 4, 6, 8]

// 简化为
var arr2 = arr.map { $0 * 2 }

2) filter 过滤函数

var arr = [1, 2, 3, 4]
var arr3 = arr.filter { (i) -> Bool in
    return i % 2 == 0
}
print(arr3)  // [2, 4]

//简化为:
var arr3 = arr.filter { $0 % 2 == 0 }

3) reduce 函数

var arr = [1, 2, 3, 4]
var result = arr.reduce(0) { (result, element) -> Int in
    result + element
}
print(result)  //10

//简化为:
// $0 上次遍历返回的结果 (初始值为0)
// $1 每次遍历到的数组元素
var arr4 = arr.reduce(0) { $0 + $1 }  // 10
var arr5 = arr.reduce(0, +) // 10
一张图解说Map/filter/reduce

示例一:

func double(_ i: Int) -> Int { i * 2 }
var arr = [1, 2, 3, 4]
// [2, 4, 6, 8]
print(arr.map(double))

示例二: Map 与 flatMap区别

var arr = [1, 2, 3]
// [[1], [2, 2], [3, 3, 3]]
var arr2 = arr.map { Array.init(repeating: $0, count: $0) }
// [1, 2, 2, 3, 3, 3]
var arr3 = arr.flatMap { Array.init(repeating: $0, count: $0) }

arr.map(transform: (Int) throws ->  T)
arr.flatMap(transform: (Int) throws -> Sequence)
  • flatMap: 传入数组元素, 遍历完后,返回Sequence 新的数组, 新数组元素为ElementOfResult.
  • map: 传入数组元素, 返回新数组, 新数组数组元素和传入元素类型相同.

区别:

  • map: 无论返回什么类型, 再次包装可选项
  • flatMap: 如果以前是非可选项,会包装成可选项. 如果以前是可选项, 不再包装成可选项.

示例三: compactMap() 函数
compactMap() 压缩紧凑: 每次遍历后自动将处理结果解包, 如果结果为空则过滤

var arr = ["123", "test", "jack", "-30"]
// [Optional(123), nil, nil, Optional(-30)]
var arr2 = arr.map { Int($0) }
// [123, -30]
var arr3 = arr.compactMap { Int($0) }

示例四: 使用reduce实现map、filter的功能

var arr = [1, 2, 3, 4]
// [2, 4, 6, 8]
print(arr.map { $0 * 2 })
print(arr.reduce([]) { $0 + [$1 * 2] })

// [2, 4]
print(arr.filter { $0 % 2 == 0 })
print(arr.reduce([]) { $1 % 2 == 0 ? $0 + [$1] : $0 })

lazy的优化

let arr = [1, 2, 3]
let result = arr.lazy.map {
    (i: Int) -> Int in
    print("mapping \(i)")
    return i * 2
}
print("begin-----")
print("mapped", result[0])
print("mapped", result[1])
print("mapped", result[2])
print("end----")

打印结果

begin-----
mapping 1
mapped 2
mapping 2
mapped 4
mapping 3
mapped 6
end----

Optional的map和flatMap

示例一:

var num1: Int? = 10
// Optional(20)
var num2 = num1.map { $0 * 2 }

var num3: Int? = nil
// nil
var num4 = num3.map { $0 * 2 }
  • map() 会将传入值解包.
  • map() 会将返回值包装为 Optional
  • map() 如果返回值为nil, 则不再执行闭包, 返回nil

示例二:

var num1: Int? = 10
// Optional(Optional(20))
var num2 = num1.map { Optional.some($0 * 2) }

// Optional(20)
var num3 = num1.flatMap { Optional.some($0 * 2) }
  • flatMap () 返回值如果已经是Optional, 就不会再次包装.如果返回值不是Optional会包装为Optional.

示例三:

var num1: Int? = 10
var num2 = (num1 != nil) ? (num1! + 10) : nil
var num3 = num1.map { $0 + 10 }
// num2、num3是等价的

示例四:

var fmt = DateFormatter()
fmt.dateFormat = "yyyy-MM-dd"
var str: String? = "2011-09-10"
// old
var date1 = str != nil ? fmt.date(from: str!) : nil

var date2 = str.flatMap { fmt.date(from: $0)  } 
//可简写为
//  new
var date3 = str.flatMap(fmt.date)

示例五: map替换三目运算符

var score: Int? = 98
// old
var str1 = score != nil ? "socre is \(score!)" : "No score"
// new
var str2 = score.map { "score is \($0)" } ?? "No score"

示例六:

struct Person {
var name: String  var age: Int
}
var items = [
    Person(name: "jack", age: 20),
    Person(name: "rose", age: 21),
    Person(name: "kate", age: 22)
]

// old
func getPerson1(_ name: String) -> Person? {
    let index = items.firstIndex { $0.name == name }
    return index != nil ? items[index!] : nil
}
// new
func getPerson2(_ name: String) -> Person? {
    return items.firstIndex { $0.name == name }.map { items[$0] }
}

示例七:

struct Person {
    var name: String  var age: Int
    init?(_ json: [String : Any]) {
        guard let name = json["name"] as? String,
            let age = json["age"] as? Int else { // 逗号代表两边条件必须同时成立
                return nil
        }
        self.name = name
        self.age = age
    }
}
var json: Dictionary? = ["name" : "Jack", "age" : 10]
// old
var p1 = json != nil ? Person(json!) : nil
// new
var p2 = json.flatMap(Person.init)

函数式编程（Funtional Programming）

1> 函数式编程（Funtional Programming，简称FP）是一种编程范式，也就是如何编写程序的方法论.

  • 主要思想：把计算过程尽量分解成一系列可复用函数的调用
  • 主要特征：函数是“第一等公民”
  • 函数与其他数据类型一样的地位，可以赋值给其他变量，也可以作为函数参数、函数返回值

2> 函数式编程最早出现在LISP语言，绝大部分的现代编程语言也对函数式编程做了不同程度的支持，比如

  • Haskell、JavaScript、Python、Swift、Kotlin、Scala等

3> 函数式编程中几个常用的概念

  • Higher-Order Function、Function Currying
  • Functor、Applicative Functor、Monad

参考资料:
1.Swift Functors, Applicatives, and Monads in Pictures
2.Functors, Applicatives, And Monads In Pictures

FP实践 – 传统写法

假设要实现以下功能：[(num + 3) * 5 - 1] % 10 / 2

  • 传统写法:
var num = 1

func add(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int { v1 + v2 }
func sub(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int { v1 - v2 }
func multiple(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int { v1 * v2 }
func divide(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int { v1 / v2 }
func mod(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int { v1 % v2 }

divide(mod(sub(multiple(add(num, 3), 5), 1), 10), 2)

FP实践 – 函数式写法

1) 单个加法运算简化

let num = 1
func add(_ v: Int) -> (Int) -> Int{
    return {
         $0 + v  // 3传给v , num传入参数 $0
    }
}

let fn = add(3)
fn(num)
//可以简写为
add(3)(num)  //先接收一个参数, 再接收一个参数

最终简化为:

let num = 1
func add(_ v: Int) -> (Int) -> Int{ $0 + v   }
add(3)(num)  //先接收一个参数, 再接收一个参数

2) 定义加 减 乘 除 取模 函数

let num = 1
func add(_ v: Int) -> (Int) -> Int {{ $0 + v }}
func sub(_ v: Int) -> (Int) -> Int {{ $0 - v }}
func multiple(_ v: Int) -> (Int) -> Int {{ $0 * v }}
func divide(_ v: Int) -> (Int) -> Int {{ $0 / v }}
func mod(_ v: Int) -> (Int) -> Int {{ $0 % v }}
  • 传统调用依然很繁琐:
let fn1 = add(3)
let fn2 = multiple(5)
let fn3 = sub(1)
let fn4 = mod(10)
let fn5 = divide(2)
//num -> fn1 -> fn2 -> fn3 -> fn4 -> fn5
fn5( fn4( fn3( fn2( fn1(num) ) ) ) )

4) 函数合成

  • 合成加和乘函数
func composite(_ f1: @escaping (Int) -> Int, _ f2: @escaping(Int) -> Int) -> (Int) -> Int {
    return {
      f2( f1($0) )
    }
}

let fn = composite(add(3), multiple(5))
fn(num)  //20
  • 自定义运算符, 合成函数
infix operator >>> : AdditionPrecedence
func >>> (_ f1: @escaping (Int) -> Int,
          _ f2: @escaping(Int) -> Int)
    -> (Int) -> Int{
        { f2( f1($0) ) }
}

let fn = add(3) >>> multiple(5)
print( fn(num) ) //20
//所有运算
let fn2 = add(3) >>> multiple(5) >>> sub(1) >>> mod(10) >>> divide(2)
print( fn2(num) ) //4

//参数传递: num先传入f1的参数, f1返回值传入f2的参数,  f2返回值传出
  • 注意: 柯里化参数类型和返回值类型必须相同才能合并!
  • 即 f1参数 必须和f2参数相同.

函数合成最终简化为:

// 函数合成
infix operator >>> : AdditionPrecedence
func >>> <A, B, C>(_ f1: @escaping (A) -> B,
                  _ f2: @escaping (B) -> C) 
        -> (A) -> C {{ f2(f1($0)) }}

var fn = add(3) >>> multiple(5) >>> sub(1) >>> mod(10) >>> divide(2)
fn(num)

高阶函数（Higher-Order Function）

高阶函数是至少满足下列一个条件的函数:

  • 接受一个或多个函数作为输入（map、filter、reduce等）
  • 返回一个函数

FP中到处都是高阶函数

func add(_ v: Int) -> (Int) -> Int { { $0 + v } }

柯里化（Currying）

1) 什么是柯里化？

  • 将一个接受多参数的函数变换为一系列只接受单个参数的函数
  • Array、Optional的map方法接收的参数就是一个柯里化函数

2) 函数柯里化后参数顺序

  • 根据给定函数柯里化
func add1(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int {v1 - v2}
func add2(_ v1: Int, _ v2: Int, _ v3: Int) -> Int {v1 - v2 - v3}
  • add1 add2分别柯里化
func add1(_ v2: Int) -> (Int)->Int { {$0 - v2} }  //$0 == 20 , v2 == 10
print(add1(10)(20) )  // 10

func add2(_ v3: Int) -> (Int)-> (Int)->Int {    //v3 == 10
    return { v2 in  // v2 == 20
        return{ v1 in  // v1 == 30
            return v1 - v2 - v3  
        }
    }
}
print( add2(10)(20)(30) )  // 0
  • 最终写为:
func currying<A, B, C>(_ fn: @escaping (A, B) -> C)
    -> (B) -> (A) -> C {
        { b in { a in fn(a, b) } }
}

func currying<A, B, C, D>(_ fn: @escaping (A, B, C) -> D)
    -> (C) -> (B) -> (A) -> D {
        { c in { b in { a in fn(a, b, c) } } }  // c = 10 , b = 20 , a = 30
}

let curriedAdd1 = currying(add1)
print(curriedAdd1(10)(20))   //  20 - 10 
let curriedAdd2 = currying(add2)
print(curriedAdd2(10)(20)(30)) // 30 - 20 - 10
  • 注意: 如果传入参数有运算顺序的, 柯里化后会和原先传入参数顺序相反.
  • 函数add1 柯里化参数 A == v2, B == v1
  • 函数add2 柯里化参数 A == v3, B == v2, C== v1
  • 包装一次少一次参数, 最后包装剩一个参数就开始计算

3) 自定义运算符实现函数柯里化

func add(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int { v1 + v2 }
func sub(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int { v1 - v2 }
func multiple(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int { v1 * v2 }
func divide(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int { v1 / v2 }
func mod(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int { v1 % v2 }
  • 示例函数自定义运算符, 函数转为柯里版本
prefix func ~<A, B, C>(_ fn: @escaping (A, B) -> C)
    -> (B) -> (A) -> C { { b in { a in fn(a, b) } } }
print( (~sub)(20)(10) )  //-10

infix operator >>> : AdditionPrecedence
func >>><A, B, C>(_ f1: @escaping (A) -> B,
                  _ f2: @escaping (B) -> C) -> (A) -> C { { f2(f1($0)) } }

var num = 1
var fn = (~add)(3) >>> (~multiple)(5) >>> (~sub)(1) >>> (~mod)(10) >>> (~divide)(2)
fn(num)

函子（Functor）

  • 像Array、Optional这样支持map运算的类型，称为函子（Functor）
public func map<T>(_ fn: (Inner) -> T) -> Type<T>
// Inner是Type里边包装的东西

Array的map

// Array<Element>
public func map<T>(_ transform: (Element) -> T) -> Array<T>

Optional的map

// Optional<Wrapped>
public func map<U>(_ transform: (Wrapped) -> U) -> Optional<U>

图解: 将包装的2先解包, 加3操作后, 再次包装成盒子返回

图解: 如果盒子是空的, 就不能进行加3操作.

图解: 如果传入一堆包装的数据, 每次会遍历出一个盒子并解包进行加3操作, 操作后再次包装成盒子返回

适用函子（Applicative Functor）

  • 对任意一个函子 F，如果能支持以下运算，该函子就是一个适用函子 
func pure<A>(_ value: A) -> F<A>
func <*><A, B>(fn: F<(A) -> B>, value: F<A>) -> F<B>
  • Optional可以成为适用函子
func pure<A>(_ value: A) -> A {value}
infix operator <*> : AdditionPrecedence
func <*><A, B>(fn: ((A) -> B)?, value:A? ) -> B? {
    guard let f = fn, let v = value else { return nil }
    return f(v)
}

var value: Int? = 10
var fn:((Int) -> Int)? = { $0 * 2 }
// Operator(20)
print(fn <*> value as Any)
  • Array可以成为适用函子
func pure<A>(_ value: A) -> [A] { [value] }
func <*><A, B>(fn: [(A) -> B], value: [A]) -> [B] {
    var arr: [B] = []
    if fn.count == value.count {
        for i in fn.startIndex..<fn.endIndex {
            arr.append(fn[i](value[i]))
        }
    }
    return arr
}

// [10]
print(pure(10))

var arr = [{ $0 * 2}, { $0 + 10 }, { $0 - 5 }] <*> [1, 2, 3]
// [2, 12, -2]
print(arr)

单子（Monad）

  • 对任意一个类型 F，如果能支持以下运算，那么就可以称为是一个单子（Monad）
func pure<A>(_ value: A) -> F<A>
func flatMap<A, B>(_ value: F<A>, _ fn: (A) -> F<B>) -> F<B>
  • 很显然，Array、Optional都是单子
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